DE3784123T2 - METHOD FOR PRODUCING CERAMIC COMPOSITIONS. - Google Patents

METHOD FOR PRODUCING CERAMIC COMPOSITIONS.

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DE3784123T2 DE8787630188T DE3784123T DE3784123T2 DE 3784123 T2 DE3784123 T2 DE 3784123T2 DE 8787630188 T DE8787630188 T DE 8787630188T DE 3784123 T DE3784123 T DE 3784123T DE 3784123 T2 DE3784123 T2 DE 3784123T2
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Description

Diese Erfindung betrifft im weiten Sinne ein Verfahren zur Herstellung keramischer Verbundkörper. Insbesondere betrifft diese Erfindung ein Verfahren zur Herstellung keramischer Verbundkörper durch Infiltration eines Füllstoffs, der mit einer Siliziumquelle beschichtet ist, die dotierende Eigenschaften aufweist, mit einem Oxidationsreaktionsprodukt, das man aus einem Vorläufer aus Aluminiumgrundmetall wachsen läßt.This invention relates broadly to a method of making ceramic composites. More particularly, this invention relates to a method of making ceramic composites by infiltrating a filler coated with a silicon source having doping properties with an oxidation reaction product grown from an aluminum base metal precursor.

In den letzten Jahren ist das Interesse an der Verwendung von Keramikmaterialien für strukturelle Anwendungen gewachsen, für die in der Vergangenheit Metalle herangezogen wurden. Der Antrieb für dieses Interesse kam aus der Überlegenheit von Keramikmaterialien gegenüber Metallen im Hinblick auf bestimmte Eigenschaften, wie z.B. Korrosionsbeständigkeit, Härte, Elastizitätsmodul und Hitzebeständigkeit.In recent years, there has been growing interest in using ceramic materials for structural applications that have historically used metals. The impetus for this interest has come from the superiority of ceramic materials over metals in terms of certain properties, such as corrosion resistance, hardness, elastic modulus, and heat resistance.

Die gegenwärtigen Bemühungen zur Herstellung keramischer Gegenstände größerer Stabilität, größerer Zuverlässigkeit und größerer Zähigkeit sind im wesentlichen gerichtet auf 1) die Entwicklung verbesserter Verarbeitungsverfahren für Keramiken aus einem Stück und 2) die Entwicklung neuer Materialzusammensetzungen, besonders von Verbundmaterialien mit keramischen Matrices. Eine Verbundmaterialstruktur ist eine, die aus einem heterogenen Material, Körper oder Gegenstand besteht, das bzw. der aus zwei oder mehreren verschiedenen Materialien hergestellt ist, die eng kombiniert sind, damit die erwünschten Eigenschaften des Verbundkörpers erhalten werden. Zum Beispiel können zwei verschiedene Materialien dadurch eng kombiniert werden, daß das eine in eine Matrix des anderen eingebettet wird. Ein Verbundgegenstand mit einer keramischen Matrix enthält eine Art oder mehrere verschiedene Arten von Füllstoffmaterial(ien), wie Teilchen, Fasern, Stangen oder dergleichen.Current efforts to produce ceramic articles of greater strength, greater reliability and greater toughness are directed primarily toward 1) the development of improved processing techniques for one-piece ceramics and 2) the development of new material compositions, particularly ceramic matrix composites. A composite structure is one consisting of a heterogeneous material, body or article made from two or more different materials that are intimately combined to obtain the desired properties of the composite. For example, two different materials can be intimately combined by embedding one in a matrix of the other. A ceramic matrix composite article contains one or more different types of filler material(s), such as particles, fibers, rods or the like.

Verschiedene geeignete Materialien wurden als Füllstoff bei der Bildung und Fabrikation von Verbundgegenständen mit einer keramischen Matrix verwendet. Diese Füllstoffe wurden in Form von Fasern, Pellets, Teilchen, Whiskern etc. verwendet. Zu diesen Materialien gehören z.B. einige der Oxide (einzeln oder gemischt), Nitride, Karbide oder Boride von Aluminium, Hafnium, Titan, Zirkonium, Yttrium und Silizium. Bestimmte bekannte Materialien, die als Füllstoff verwendet worden sind, wie z.B. Siliziumkarbid und Siliziumnitrid, sind als solche in einer oxidierenden Atmosphäre hoher Temperatur (z.B. über 850ºC) nicht stabil, sondern in ihnen laufen in einer solchen Umgebung Abbaureaktionen mit relativ langsamer Kinetik ab.Various suitable materials have been used as fillers in the formation and fabrication of composite articles with a ceramic matrix. These fillers have been used in the form of fibers, pellets, particles, whiskers, etc. These materials include, for example, some of the oxides (singly or mixed), nitrides, carbides or borides of aluminum, hafnium, titanium, zirconium, yttrium and silicon. Certain known materials that have been used as fillers, such as silicon carbide and silicon nitride, are not stable as such in a high temperature oxidizing atmosphere (e.g. above 850ºC), but undergo degradation reactions with relatively slow kinetics in such an environment.

Es gibt beim Ersatz von Metallen durch Keramikmaterialien einige bekannte Einschränkungen oder Schwierigkeiten, wie die Breite des Größenspektrums, die Fähigkeit zur Herstellung komplexer Formen, das Erfüllen der an die Endverwendung gestellten Anforderungen und die Kosten. Einige dieser Einschränkungen oder Schwierigkeiten sind durch verschiedene ebenfalls anhängige Patentanmeldungen desselben Eigentümers wie desjenigen der vorliegenden Anmeldung überwunden worden, die neuartige Verfahren zur zuverlässigen Herstellung von Keramikmaterialien, einschließlich keramischer Verbundgegenstände, liefern. Ein wichtiges Verfahren wird grundsätzlich in der EP-A-155831 desselben Anmelders offengelegt. Diese Anmeldung legt das Verfahren zur Herstellung selbsttragender keramischer Körper, die man als das Oxidationsreaktionsprodukt eines Grundmetallvorläufers wachsen läßt, offen. Schmelzflüssiges Metall wird mit einem Dampfphasenoxidationsmittel unter Bildung eines Oxidationsreaktionsprodukts umgesetzt, und das Metall wandert durch das Oxidationsprodukt in Richtung des Oxidationsmittels, wodurch es kontinuierlich einen keramischen polykristallinen Körper aufbaut. Der Prozeß kann durch die Verwendung eines einlegierten Dotierungsmittels, wie es im Falle der Oxidation eines mit Magnesium und Silizium dotierten Aluminiums mit Luft unter Bildung keramischer Strukturen aus α-Aluminiumoxid verwendet wird, beschleunigt werden. Dieses Verfahren wurde dann durch das Auftragen von Dotierungsmitteln auf die Oberfläche des Vorläufermetalls verbessert, wie in der EP-A-169067 desselben Anmelders beschrieben wird.There are some known limitations or difficulties in replacing metals with ceramic materials, such as the breadth of the size range, the ability to produce complex shapes, meeting end-use requirements, and cost. Some of these limitations or difficulties have been overcome by several co-pending patent applications owned by the same owner as the present application, which disclose novel methods for reliably producing ceramic materials, including ceramic composite articles. An important process is basically disclosed in EP-A-155831 of the same applicant. This application discloses the process for producing self-supporting ceramic bodies which are grown as the oxidation reaction product of a parent metal precursor. Molten metal is reacted with a vapor phase oxidant to form an oxidation reaction product and the metal migrates through the oxidation product towards the oxidant, thereby continuously building up a ceramic polycrystalline body. The process can be accelerated by the use of an alloyed dopant as used in the case of the oxidation of magnesium and silicon doped aluminum with air to form ceramic structures of α-alumina. This process has then been improved by the application of dopants to the surface of the precursor metal as described in EP-A-169067 of the same applicant.

Dieses Oxidationsphänomen wurde zur Herstellung keramischer Verbundkörper verwendet, wie in der EP-A-193292 desselben Anmelders beschrieben wird. Diese Anmeldung legt neuartige Verfahren zur Herstellung eines selbsttragenden keramischen Verbundgegenstands durch Wachsenlassen eines Oxidationsreaktionsprodukts aus einem Grundmetallvorläufer in die durchlässige Masse eines Füllstoffs, wodurch der Füllstoff mit einer keramischen Matrix infiltriert wird, offen. Der resultierende Verbundgegenstand hat jedoch keine definierte oder vorher festgelegte äußere Gestalt, Form oder Konfiguration.This oxidation phenomenon has been used to produce ceramic composites, as described in the applicant's EP-A-193292. This application discloses novel methods of producing a self-supporting ceramic composite article by growing an oxidation reaction product from a base metal precursor into the permeable mass of a filler, thereby infiltrating the filler with a ceramic matrix. However, the resulting composite article has no defined or predetermined external shape, form or configuration.

Ein Verfahren zur Herstellung keramischer Verbundkörper von vorher festgelegter äußerer Gestalt oder Form wird in der EP-A-245192 (nicht vorveröffentlicht) desselben Anmelders offengelegt. Entsprechend dem Verfahren dieser Patentanmeldung infiltriert das sich entwickelnde Oxidationsreaktionsprodukt eine durchlässige Vorform in Richtung auf eine definierte Oberflächengrenze zu. Es wurde entdeckt, daß eine hohe Wiedergabegenauigkeit leichter erreicht wird, wenn die Vorform mit einem Sperrschichtelement versehen wird, wie in der EP-A-245193 (nicht vorveröffentlicht) desselben Anmelders offengelegt wurde. Dieses Verfahren stellt selbsttragende keramische Körper her, einschließlich geformter keramischer Verbundgegenstände, durch Wachsenlassen des Oxidationsreaktionsprodukts eines Metallvorläufers bis zu einem Sperrschichtelement, das zur Festlegung einer Grenze oder Fläche entfernt vom Metall angeordnet ist. Ein Verfahren zur Bildung keramischer Verbundgegenstände, die einen Hohlraum mit einer inneren Geometrie aufweisen, die die Gestalt einer positiven Gußform oder eines positiven Musters aus Grundmetall umgekehrt wiederholt, wird in der EP-A- 234704 desselben Anmelders offengelegt.A process for producing ceramic composite bodies of predetermined external shape or form is disclosed in EP-A-245192 (not prepublished) of the same applicant. According to the process of this patent application, the developing oxidation reaction product infiltrates a permeable preform towards a defined surface boundary. It has been discovered that high fidelity is more easily achieved if the preform is provided with a barrier element as disclosed in EP-A-245193 (not prepublished) of the same applicant. This process produces self-supporting ceramic bodies, including shaped ceramic composite articles, by growing the oxidation reaction product of a metal precursor to a barrier element which is positioned remote from the metal to define a boundary or surface. A process for forming ceramic composite articles having a cavity with an internal geometry that inversely repeats the shape of a positive base metal mold or pattern is disclosed in EP-A-234704 of the same applicant.

Die vorliegende Erfindung liefert im weiten Sinne ein Verfahren zur Herstellung eines keramischen Verbundkörpers, der aus einer keramischen Matrix besteht, die durch die Oxidationsreaktion von schmelzflüssigem Aluminium-Grundmetall mit einem Oxidationsmittel, zu dem ein Dampfphasenoxidationsmittel gehört, erhalten wurde, und aus einem Füllstoff, der zumindest anfangs mit einem siliziumhaltigen Vorläufer oder CVD-aufgetragenen Silizium beschichtet war und von der Matrix infiltriert ist. Der aufgetragene Überzug unterscheidet sich in seiner Zusammensetzung von der primären Zusammensetzung des Füllstoffs, und der Überzug aus siliziumhaltigem Vorläufer kann bei den Prozeßbedingungen zumindest teilweise vom schmelzflüssigen Grundmetall reduziert oder gelöst werden. Dieser Überzug besitzt, wenn er auf eine geeignete Temperatur erhitzt wird, und zwar vorzugsweise, aber nicht notwendigerweise, in einer sauerstoffhaltigen Umgebung, von Haus aus dotierende Eigenschaften für die Beschleunigung der Oxidationsreaktion, und der im wesentlichen unveränderte oder zurückbleibende Teil des Füllstoffs, der als Füllstoff dient, wird in die sich entwickelnde Matrix inkorporiert, wie weiter unten detaillierter beschrieben wird.The present invention broadly provides a method for producing a ceramic composite body consisting of a ceramic matrix obtained by the oxidation reaction of molten aluminum base metal with an oxidizing agent including a vapor phase oxidizing agent and a filler which is at least initially filled with a silicon-containing precursor or CVD-deposited silicon coated and infiltrated by the matrix. The applied coating is different in composition from the primary composition of the filler, and the silicon-containing precursor coating may be at least partially reduced or dissolved from the molten parent metal under the process conditions. This coating, when heated to a suitable temperature, preferably but not necessarily in an oxygen-containing environment, intrinsically possesses doping properties for accelerating the oxidation reaction, and the substantially unchanged or residual portion of the filler serving as the filler is incorporated into the developing matrix, as described in more detail below.

Der selbsttragende keramische Verbundkörper wird dadurch hergestellt, daß zunächst ein Bett oder eine Masse aus Füllstoffmaterial ausgebildet wird, wobei ein Teil der Bestandteile oder alle Bestandteile mit einem siliziumhaltigen Vorläufer beschichtet sind. Der Überzug unterscheidet sich in seiner Zusammensetzung von der primären Zusammensetzung des Füllstoffs. Dem Füllstoff kann zumindest teilweise ein Sperrschichtelement aufgelagert sein, das zumindest teilweise entfernt vom Aluminiumgrundmetall angeordnet ist, um eine Oberfläche oder Begrenzung der keramischen Matrix festzulegen.The self-supporting ceramic composite body is made by first forming a bed or mass of filler material, some or all of the components being coated with a silicon-containing precursor. The coating differs in composition from the primary composition of the filler. The filler may be at least partially overlaid with a barrier element which is at least partially spaced from the aluminum base metal to define a surface or boundary of the ceramic matrix.

Der beschichtete Füllstoff, der zusammen mit anderen Füllstoffmaterialien verwendet werden kann, entweder in Form eines Aufbaus, eines gepackten Bettes oder als eine vorgeformte Vorform, wird an das Aluminiumgrundmetall angrenzend angeordnet oder orientiert, so daß die Bildung des Oxidationsreaktionsprodukts in einer Richtung auf das Oxidationsmittel und den Füllstoff zu erfolgt und in Richtung auf das Sperrschichtelement, wenn ein solches verwendet wird. Das Bett aus Füllstoffmaterial oder die Vorform sollte genügend durchlässig sein, um das Wachstum des Oxidationsreaktionsprodukts im Bett zu gestatten oder aufzunehmen, und um es dem gasförmigen Oxidationsmittel zu gestatten, die Vorform zu durchdringen und mit dem schmelzflüssigen Metall in Kontakt zu treten. Das Grundmetall wird auf eine Temperatur über seinem Schmelzpunkt, jedoch unter dem Schmelzpunkt des Oxidationsreaktionsprodukts erhitzt, wobei sich ein Körper aus schmelzflüssigem Metall bildet. Bei dieser Temperatur, oder in diesem Temperaturbereich, reagiert das schmelzflüssige Metall mit dem Oxidationsmittel unter Bildung des Oxidationsreaktionsprodukts. Zumindest ein Teil des Oxidationsreaktionsprodukts wird in Kontakt mit und zwischen dem schmelzflüssigem Metall und dem Oxidationsmittel gehalten, um schmelzflüssiges Metall durch das Oxidationsreaktionsprodukt in Richtung des Oxidationsmittels und in Kontakt mit dem Oxidationsmittel zu ziehen, so daß sich das Oxidationsreaktionsprodukt fortwährend an der Grenzfläche zwischen dem Oxidationsmittel und vorher gebildetem Oxidationsreaktionsprodukt bildet, wodurch es das angrenzende Füllstoffmaterial infiltriert. Die Reaktion wird für eine Zeit fortgesetzt, die ausreicht, zumindest einen Teil des Füllstoffmaterials mit einem polykristallinen Material zu infiltrieren, das im wesentlichen aus dem Oxidationsreaktionsprodukt und einem oder mehreren metallischen Bestandteil(en), wie z.B. nichtoxidierten Bestandteilen des Grundmetalls oder des Dotierungsmittels, besteht, die im polykristallinen Material verteilt oder dispergiert sind. Es versteht sich dabei, daß das polykristalline Material Hohlräume oder Porosität anstelle der Metallphase aufweisen kann, aber die Volumenprozente der Hohlräume hängen großenteils von solchen Bedingungen wie der Temperatur, der Zeit, den Dotierungsmitteln und dem Typ des Grundmetalls ab. Wenn ein Sperrschichtelement verwendet worden ist, dann wächst der keramische Körper weiter bis zur Sperrschicht, vorausgesetzt, daß genügend Metall vorhanden ist.The coated filler, which may be used with other filler materials, either in the form of a build-up, a packed bed, or as a preformed preform, is placed or oriented adjacent to the aluminum parent metal so that formation of the oxidation reaction product occurs in a direction toward the oxidant and filler, and toward the barrier element, if one is used. The bed of filler material or preform should be sufficiently permeable to permit or accommodate growth of the oxidation reaction product in the bed and to permit the gaseous oxidant to penetrate the preform and contact the molten metal. The parent metal is heated to a temperature above its melting point but below the melting point of the oxidation reaction product, forming a body of molten metal. At this temperature, or range of temperatures, the molten metal reacts with the oxidant to form the oxidation reaction product. At least a portion of the oxidation reaction product is maintained in contact with and between the molten metal and the oxidant to draw molten metal through the oxidation reaction product toward the oxidant and into contact with the oxidant such that the oxidation reaction product continually forms at the interface between the oxidant and previously formed oxidation reaction product, thereby infiltrating the adjacent filler material. The reaction is continued for a time sufficient to infiltrate at least a portion of the filler material with a polycrystalline material consisting essentially of the oxidation reaction product and one or more metallic constituents, such as non-oxidized constituents of the parent metal or the dopant, distributed or dispersed in the polycrystalline material. It is understood that the polycrystalline Material may contain voids or porosity in place of the metal phase, but the volume percent of voids depends largely on such conditions as temperature, time, dopants, and type of base metal. If a barrier element has been used, the ceramic body will continue to grow up to the barrier layer, provided that sufficient metal is present.

Wie in den erwähnten Patentanmeldungen desselben Anmelders erläutert wurde, kann die Verwendung von Dotierungsmaterialien den Prozeß der Oxidationsreaktion vorteilhaft beeinflussen oder fördern. Silizium ist ein nützliches Dotierungsmittel für ein Aluminium-Grundmetall, besonders in Kombination mit anderen Dotierungsmitteln, und es kann äußerlich auf das Grundmetall aufgetragen werden, und eine nützliche Quelle für ein derartiges Dotierungsmittel stellt Siliziumoxid dar. Unter den Prozeßbedingungen dieser Erfindung wird eine siliziumhaltige Verbindung als Siliziumquelle (z.B. Siliziumoxid) durch das schmelzflüssige Grundmetall unter Bildung von Aluminiumoxid und Silizium reduziert. Somit stellt der Überzug aus der siliziumhaltigen Verbindung auf dem Füllstoffmaterials ein nützliches Dotierungsmittel für die Förderung der Entwicklung oder des Wachstums des Oxidationsreaktionsprodukts dar. Ein nützliches Füllstoffmaterial ist z.B. Siliziumkarbid, das mit einer geeigneten siliziumhaltigen Verbindung als Vorläufer für die Siliziumquelle beschichtet ist, die ein Siliziumoxidfilm sein kann. Der Siliziumoxidfilm wird durch das schmelzflüssige Aluminium-Grundmetall reduziert und ergibt ein Silizium-Dotierungsmittel, das das Wachstum der polykristallinen Matrix durch den Füllstoff aus Siliziumkarbid fördert. Zusätzlich ist der Überzug aus Siliziumoxid auf den Teilchen aus Siliziumkarbid deshalb vorteilhaft, weil er während der Bildungsreaktion der Matrix die lokale Siliziumkonzentration im nichtoxidierten Silizium-Grundmetall erhöht und dadurch die Tendenz zur Bildung von Al&sub4;C&sub3; während des Prozesses des Matrixwachstums verringert. Al&sub4;C&sub3; ist unerwünscht, da es in Gegenwart von Feuchtigkeitswerten, die normalerweise in Umgebungsluft vorkommen, instabil ist, wodurch es zur Bildung von Methan und zum Abbau der strukturellen Eigenschaften des resultierenden Verbundkörpers kommt.As explained in the aforementioned patent applications of the same applicant, the use of dopant materials can beneficially influence or promote the oxidation reaction process. Silicon is a useful dopant for an aluminum parent metal, especially in combination with other dopants, and it can be applied externally to the parent metal, and one useful source of such a dopant is silicon oxide. Under the process conditions of this invention, a silicon-containing compound as a silicon source (e.g., silicon oxide) is reduced by the molten parent metal to form aluminum oxide and silicon. Thus, the coating of the silicon-containing compound on the filler material represents a useful dopant for promoting the development or growth of the oxidation reaction product. One useful filler material is, for example, silicon carbide coated with a suitable silicon-containing compound as a precursor to the silicon source, which may be a silicon oxide film. The silicon oxide film is reduced by the molten aluminum parent metal and yields a silicon dopant which promotes the growth of the polycrystalline matrix through the silicon carbide filler. In addition, the silicon oxide coating on the silicon carbide particles is advantageous because it increases the local silicon concentration in the non-oxidized silicon parent metal during the matrix formation reaction, thereby reducing the tendency to form Al₄C₃ during the matrix growth process. Al₄C₃ is undesirable because it is unstable in the presence of moisture levels normally found in ambient air, leading to the formation of methane and degradation of the structural properties of the resulting composite body.

Es wurde für die Zwecke dieser Erfindung gefunden, daß bei der Durchführung der Oxidationsreaktion, vorzugsweise in einer sauerstoffhaltigen Umgebung, der aufgetragene Überzug aus dem siliziumhaltigen Vorläufer in eine Siliziumquelle umgewandelt werden kann, die als Dotierungsmaterial für die Oxidationsreaktion des Grundmetalls dient. Der verbleibende Teil des Füllstoffs unter dem Überzug, der von anderer Zusammensetzung ist, ist im wesentlichen unverändert und dient im Verbundkörper als ein Füllstoff. Zum Beispiel kann der Füllstoff eine siliziumhaltige Verbindung tragen, die durch das schmelzflüssige Metall reduziert werden kann, oder der Füllstoff kann CVD-beschichtet mit Silizium sein, das durch das schmelzflüssige Metall gelöst werden kann. Es versteht sich dabei, daß im wesentlichen die gesamte Siliziumquelle als Dotierungsmittel verwendet werden kann, oder es wird nur ein Teil davon als Dotierungsmittel verwendet, wobei der Rest im Füllstoff verbleibt und durch die Matrix eingebettet wird. Entsprechend der Erfindung wird ein separates Überzugsmaterial auf den Füllstoff aufgetragen, das beim Erhitzen die Siliziumquelle bildet. Der Überzug aus der Siliziumquelle, z.B. eine siliziumhaltige Verbindung, kann dadurch gebildet oder hergestellt werden, daß zunächst ein geeigneter Füllstoff in einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre hartgebrannt oder erhitzt wird. Der hartgebrannte Füllstoff, der eine Beschichtung trägt, wird anschließend als Füllstoffmaterial verwendet. Zum Beispiel kann eine Vorform aus teilchenförmigem Siliziumkarbid oder teilchenförmigem Aluminiumoxid, das mit einem siliziumhaltigen Vorläufer oder einer siliziumhaltigen Verbindung, wie z.B. Tetraethylorthosilikat, beschichtet ist, hergestellt werden. Die Vorform wird dann unter Bildung einer Oxidhaut aus Siliziumoxid auf den Teilchen aus Siliziumkarbid oder Aluminiumoxid an Luft hartgebrannt oder erhitzt. Die Vorform kann dann als ein rohes keramisches Verbundmaterial, das in sich eine Quelle eines Silizium-Dotierungsmaterials besitzt, verwendet werden. Alternativ kann das teilchenförmige Material aus Siliziumkarbid oder Aluminiumoxid mit der siliziumhaltigen Beschichtung im Aufbau aus Füllstoffmaterial und Grundmetall verwendet werden, und der Film oder der Überzug aus Siliziumoxid wird in situ während des Prozesses der Oxidationsreaktion in Anwesenheit eines sauerstoffhaltigen Gases gebildet. Die primäre Zusammensetzung des teilchenförmigen Füllstoffs (z.B. teilchenförmiges Siliziumkarbid oder Aluminiumoxid) bleibt intakt und dient als Füllstoffmaterial für den Verbundkörper.It has been found for the purposes of this invention that by carrying out the oxidation reaction, preferably in an oxygen-containing environment, the applied coating of silicon-containing precursor can be converted into a silicon source which serves as a dopant material for the oxidation reaction of the parent metal. The remaining part of the filler beneath the coating, which is of a different composition, is substantially unchanged and serves as a filler in the composite body. For example, the filler may carry a silicon-containing compound which can be reduced by the molten metal, or the filler may be CVD-coated with silicon which can be dissolved by the molten metal. It is to be understood that substantially all of the silicon source may be used as a dopant, or only a portion of it may be used as a dopant, the remainder remaining in the filler and embedded by the matrix. According to the invention, a separate coating material is applied to the filler which upon heating forms the silicon source. The coating of the silicon source, e.g. a silicon-containing compound, may be formed or prepared by first firing or heating a suitable filler in an oxygen-containing atmosphere. The firing filler bearing a coating is then used as a filler material. For example, a preform may be prepared from particulate silicon carbide or particulate alumina coated with a silicon-containing precursor or compound such as tetraethyl orthosilicate. The preform is then firing or heating in air to form an oxide skin of silicon oxide on the silicon carbide or alumina particles. The preform may then be used as a green ceramic composite having within it a source of silicon dopant material. Alternatively, the silicon carbide or alumina particulate material may be used with the silicon-containing coating in the filler material-base metal assembly, and the silicon oxide film or coating is formed in situ during the process of oxidation reaction in the presence of an oxygen-containing gas. The primary composition of the particulate filler (e.g., silicon carbide or alumina particulate) remains intact and serves as the filler material for the composite body.

Die Materialien dieser Erfindung können im wesentlichen einheitliche Eigenschaften über ihren Querschnitt aufweisen, bis zu einer Dicke, die bis jetzt mit Hilfe konventioneller Verfahren zur Herstellung keramischer Strukturen nur schwer zu erreichen war. Der Prozeß, der diese Materialien liefert, vermeidet auch die hohen Kosten, die mit konventionellen Verfahren der Produktion von Keramikmaterialien verbunden sind, einschließlich der Herstellung feiner, homogener Pulver hoher Reinheit und ihrem Verdichten durch solche Verfahren wie Sintern, Warmpressen oder isostatisches Pressen.The materials of this invention can exhibit substantially uniform properties across their cross-section, to a thickness heretofore difficult to achieve using conventional methods of producing ceramic structures. The process that produces these materials also avoids the high costs associated with conventional methods of producing ceramic materials, including the preparation of fine, homogeneous, high purity powders and their densification by such methods as sintering, hot pressing or isostatic pressing.

Die Produkte der vorliegenden Erfindung sind adaptierbar oder hergestellt für die Verwendung als Handelsartikel, die, wie hierin verwendet, ohne Beschränkung industrielle, strukturelle und technische keramische Körper für solche Anwendungen einschließen sollen, in denen elektrische, abnützungsbeständige, thermische, strukturelle oder andere Merkmale oder Eigenschaften wichtig oder vorteilhaft sind; und der Begriff soll keine Recycling- oder Abfallmaterialien einschließen, welche als ungewollte Nebenprodukte bei der Verarbeitung schmelzflüssiger Metalle anfallen könnten.The products of the present invention are adaptable or manufactured for use as articles of commerce, which, as used herein, are intended to include, without limitation, industrial, structural and engineering ceramic bodies for such applications in which electrical, wear-resistant, thermal, structural or other features or properties are important or advantageous; and the term is not intended to include recycled or waste materials which may be generated as unwanted byproducts in the processing of molten metals.

Die unten genannten Begriffe sind in dieser Beschreibung und den begleitenden Ansprüchen wie folgt definiert:The terms mentioned below are defined in this specification and the accompanying claims as follows:

"Keramik" soll nicht streng beschränkt sein auf einen keramischen Körper im klassischen Sinne, d.h. in dem Sinne, daß er vollständig aus nichtmetallischen und anorganischen Materialien besteht, sondern bezieht sich eher auf einen Körper, der vorwiegend keramisch ist entweder im Hinblick auf seine Zusammensetzung oder auf seine vorherrschenden Eigenschaften, obwohl der Körper geringe oder größere Mengen eines oder mehrerer metallischer, vom Grundmetall abstammender oder aus dem Oxidationsmittel oder durch ein Dotierungsmittel gebildeter Bestandteile enthalten kann, am typischsten innerhalb eines Bereichs von ungefähr 1-40 Volumenprozent, aber der auch mehr Metall beinhalten kann."Ceramic" is not intended to be strictly limited to a ceramic body in the classical sense, that is, in the sense of being composed entirely of non-metallic and inorganic materials, but rather refers to a body which is predominantly ceramic either in terms of its composition or in terms of its predominant properties, although the body contains minor or major amounts of one or more metallic elements derived from the parent metal or formed from the oxidizing agent or by a doping agent. components, most typically within a range of approximately 1-40 percent by volume, but which may contain more metal.

"Oxidationsreaktionsprodukt" bedeutet im allgemeinen Aluminium als das Grundmetall in einem beliebigen oxidierten Zustand, in dem das Metall Elektronen an ein anderes Element, eine andere Verbindung oder eine Kombination davon abgegeben hat oder Elektronen mit diesen teilt. Dementsprechend umfaßt ein "Oxidationsreaktionsprodukt" nach dieser Definition das Produkt der Reaktion des Aluminiummetalls mit einem Oxidationsmittel wie den in dieser Anmeldung beschriebenen."Oxidation reaction product" generally means aluminum as the parent metal in any oxidized state in which the metal has donated or shares electrons with another element, compound, or combination thereof. Accordingly, an "oxidation reaction product" under this definition includes the product of the reaction of the aluminum metal with an oxidizing agent such as those described in this application.

"Oxidationsmittel" bedeutet einen oder mehrere geeignete Elektronenakzeptor(en) oder Elektronen teilende(n) Stoff(e) und kann unter den Prozeßbedingungen ein Festkörper, eine Flüssigkeit oder ein Gas (Dampf) oder eine Kombination von diesen (z.B. ein Festkörper und ein Gas) sein."Oxidant" means one or more suitable electron acceptors or electron sharing substances and may be a solid, a liquid or a gas (vapor) or a combination of these (e.g. a solid and a gas) under the process conditions.

"Grundmetall" bezieht sich auf Aluminium, das der Vorläufer des polykristallinen Oxidationsreaktionsprodukts ist, und umfaßt relativ reines Aluminium, im Handel erhältliches Aluminium mit Verunreinigungen und/oder legierenden Bestandteilen, oder eine Legierung des Aluminiums, in der Aluminium als der Vorläufer den Hauptbestandteil oder den wichtigsten Bestandteil für die Bildung des Oxidationsreaktionsprodukts darstellt."Parental metal" refers to aluminum which is the precursor to the polycrystalline oxidation reaction product and includes relatively pure aluminum, commercially available aluminum containing impurities and/or alloying constituents, or an alloy of aluminum in which aluminum as the precursor is the major constituent or the most important constituent for the formation of the oxidation reaction product.

"Siliziumquelle" bezieht sich auf elementares Silizium oder auf eine Siliziumverbindung, die ein Dotierungsmaterial liefert und/oder das Benetzen des Füllstoffs durch das schmelzflüssige Grundmetall unter den Prozeßbedingungen fördert."Silicon source" refers to elemental silicon or a silicon compound that provides a dopant material and/or promotes wetting of the filler by the molten base metal under the process conditions.

Zu den Abbildungen:About the pictures:

Die Figuren 1, 2 und 3 sind Fotografien von oben bzw. von der Seite von einem Verbundkörper, der entsprechend Beispiel 2 hergestellt wurde. In jeder dieser Figuren wurde ein Teil des gewachsenen Verbundkörpers durch Schneiden für weitere Untersuchungen entfernt.Figures 1, 2 and 3 are top and side views, respectively, of a composite body prepared according to Example 2. In each of these figures, a portion of the grown composite body was removed by cutting for further investigation.

Die Figur 4 ist bei 50-facher Vergrößerung aufgenommene mikroskopische Aufnahme einer Verbundstruktur, die entsprechend Beispiel 3 hergestellt wurde, und die beschichtete Füllstoffteilchen zeigt, die in eine keramische Matrix eingebettet sind.Figure 4 is a micrograph taken at 50x magnification of a composite structure prepared according to Example 3 showing coated filler particles embedded in a ceramic matrix.

Bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Prozesses wird das Aluminiumgrundmetall, das mit einem zusätzlichen Dotierungsmaterial dotiert sein kann (wie unten detaillierter erklärt wird) und den Vorläufer für das Oxidationsreaktionsprodukt darstellt, zu einem Barren, Block, einer Stange, Platte oder dergleichen geformt. Eine Masse oder Körper aus Füllstoffmaterial, das Teilchen, Pulver, Fasern, Whisker oder andere geeignete Formen aufweist und einen Überzug aus einer Siliziumquelle besitzt, wird so relativ zum Aluminium-Grundmetall angeordnet, daß das Wachstum des Oxidationsreaktionsprodukts in Richtung auf und in den Füllstoff erfolgt. Der aufgetragene Überzug unterscheidet sich in seiner Zusammensetzung von der primären Zusammensetzung des Füllstoffs. Man nimmt an, daß die Siliziumquelle auch dazu dient, die Benetzbarkeit des Füllstoffs durch das Grundmetall zu verbessern. Das Bett ist durchlässig für das Dampfphasenoxidationsmittel (z.B. Luft) und für das Wachstum der Matrix aus Oxidationsreaktionsprodukt, damit die Entwicklung des Oxidationsreaktionsprodukts, und dadurch die Infiltration des Füllstoffs, ermöglicht wird. Wie in den Patentanmeldungen desselben Anmelders erklärt wird, beeinflussen Dotierungsmaterialien den Prozeß der Oxidationsreaktion von Grundmetallen vorteilhaft, und Silizium, Siliziumdioxid und ähnliche siliziumhaltige Verbindungen sind in Systemen, die Aluminium als das Grundmetall einsetzten, nützliche Quellen für Dotierungsmittel. Entsprechend einer bevorzugten Ausführungsform dieser Erfindung bildet eine siliziumhaltige Verbindung, wenn sie in einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre auf eine geeignete Temperatur erhitzt wird, einen Oxidüberzug, der als eine Quelle für ein Dotierungsmaterial dient. Die Bildung des Oxidüberzugs auf dem Füllstoff kann in einem Hartbrennschritt oder in situ während der Bildung des keramischen Körpers in Gegenwart eines sauerstoffhaltigen Gases als Oxidationsmittel erreicht werden. Wenn nicht anderes gesagt wird, sollen die Begriffe "Füllstoff" oder "Füllstoffmaterial" entweder eine Masse, ein Bett oder eine Vorform bedeuten, die bzw. das aus dem Füllstoffmaterial besteht, das zumindest teilweise mit einer Siliziumquelle beschichtet ist und das in Kombination mit anderen Füllstoffmaterialien verwendet werden kann, die keinen derartigen Überzug aufweisen.In carrying out the process of the invention, the aluminum parent metal, which may be doped with an additional dopant material (as explained in more detail below) and which is the precursor to the oxidation reaction product, is formed into a billet, block, rod, plate or the like. A mass or body of filler material comprising particles, powders, fibers, whiskers or other suitable shapes and having a coating of a silicon source is positioned relative to the aluminum parent metal such that growth of the oxidation reaction product occurs toward and into the filler. The coating applied differs in composition from the primary composition of the filler. It is believed that the silicon source also serves to improve the wettability of the filler by the parent metal. The bed is permeable to the vapor phase oxidant (e.g. air) and for the growth of the oxidation reaction product matrix to permit development of the oxidation reaction product and thereby infiltration of the filler. As explained in commonly owned patent applications, dopant materials beneficially affect the oxidation reaction process of parent metals, and silicon, silicon dioxide and similar silicon-containing compounds are useful sources of dopants in systems employing aluminum as the parent metal. According to a preferred embodiment of this invention, a silicon-containing compound, when heated to an appropriate temperature in an oxygen-containing atmosphere, forms an oxide coating which serves as a source of dopant material. Formation of the oxide coating on the filler can be accomplished in a firing step or in situ during formation of the ceramic body in the presence of an oxygen-containing gas as an oxidant. Unless otherwise stated, the terms "filler" or "filler material" are intended to mean either a mass, bed or preform consisting of the filler material at least partially coated with a silicon source and which may be used in combination with other filler materials not having such a coating.

Wie oben erklärt wurde, weist der Füllstoff einen geeigneten Überzug aus einem siliziumhaltigen Vorläufer auf, der auf einen Füllstoff von völlig anderer Zusammensetzung aufgetragen ist. Zum Beispiel besteht ein besonders nützliches System dieses Typs aus Tetraethylorthosilikat, das auf Fasern aus Zirkoniumoxid aufgetragen ist und das beim Trocknen oder milden Erhitzen zur Dissoziierung des Materials einen Überzug aus Siliziumoxid bildet. Als ein weiteres Beispiel kann ein Glas aus Ethylsilikat, das beim Erhitzen einen Überzug aus Siliziumoxid bildet, auf teilchenförmiges Aluminiumoxid aufgebracht werden.As explained above, the filler comprises a suitable coating of a silicon-containing precursor applied to a filler of entirely different composition. For example, a particularly useful system of this type consists of tetraethyl orthosilicate applied to zirconia fibers, which upon drying or mild heating to dissociate the material forms a coating of silicon oxide. As another example, a glass of ethyl silicate, which upon heating forms a coating of silicon oxide, can be applied to particulate alumina.

Entsprechend der Erfindung kann das Füllstoffmaterial auch durch chemische Dampfabscheidung (chemical vapor deposition, CVD) mit Silizium beschichtet werden. Das kann besonders im Falle von Füllstoffen nützlich sein, die typischerweise als Fasern, Teilchen oder Whisker vorliegen, die unter den Prozeßbedingungen vor einem Abbau geschützt werden müssen. Zum Beispiel müssen Bornitridteilchen vor Oxidation und einer Reaktion mit schmelzflüssigem Aluminium geschützt werden, und die CVD-Beschichtung aus Silizium liefert diesen Schutz und erfüllt dennoch die anderen Kriterien der Erfindung.According to the invention, the filler material can also be coated with silicon by chemical vapor deposition (CVD). This can be particularly useful in the case of fillers that are typically present as fibers, particles or whiskers that need to be protected from degradation under the process conditions. For example, boron nitride particles need to be protected from oxidation and reaction with molten aluminum, and the silicon CVD coating provides this protection while still meeting the other criteria of the invention.

Die Füllstoffmaterialien, wie z.B. Siliziumkarbid und Siliziumnitrid, liegen vorzugsweise in Form von Teilchen vor und können eine Mischung verschiedener Grit- und Meshgrößen enthalten, vorzugsweise von ungefähr 2 mm - 12 um (10-1000 Mesh), aber es können auch feinere Teilchen verwendet werden. Im Falle von Siliziumnitrid ist es jedoch erstrebenswert, ein relativ grobes Material zu verwenden, um eine exzessive Oxidation oder Reaktion unter Bildung von Aluminiumnitrid und Silizium zu verhindern. Auf diese Weise kann der zusammengemischte Füllstoff so maßgeschneidert werden, daß er die erwünschten letztendlichen Eigenschaften besitzt, wie z.B. Durchlässigkeit, Porosität, Dichte etc.The filler materials, such as silicon carbide and silicon nitride, are preferably in particle form and may contain a mixture of different grit and mesh sizes, preferably from about 2 mm - 12 um (10-1000 mesh), but finer particles may also be used. However, in the case of silicon nitride, it is desirable to use a relatively coarse material to prevent excessive oxidation or reaction to form aluminum nitride and silicon. In this way, the blended filler can be tailored to have the desired final properties, such as permeability, porosity, density, etc.

Der Füllstoff ist typischerweise mit einem beliebigen geeigneten Bindemittel, Agens, einer Verbindung oder dergleichen, das bzw. die nicht die Reaktionen der Erfindung beeinflußt oder eine erhebliche Menge unerwünschter restlicher Nebenprodukte im Produkt aus keramischem Verbundmaterial zurückläßt, zu einem Bett oder einer Vorform verbunden. Es hat sich gezeigt, daß zu geeigneten Bindemitteln z.B. Polyvinylalkohol, Epoxidharze, natürliches oder künstliches Latex und dergleichen gehören, die dem Fachmann wohlbekannt sind. Der Füllstoff kann, mit oder ohne Bindemittel, durch ein beliebiges konventionelles Verfahren in einer vorher festgelegten Form und Größe geformt werden, wie z.B. durch Schlickergießen, Spritzgießen, Spritzpressen, Vakuumformen etc.The filler is typically combined into a bed or preform with any suitable binder, agent, compound or the like that does not interfere with the reactions of the invention or leave a significant amount of undesirable residual byproducts in the ceramic composite product. Suitable binders have been found to include, for example, polyvinyl alcohol, epoxy resins, natural or synthetic latex, and the like, which are well known to those skilled in the art. The filler, with or without a binder, can be formed into a predetermined shape and size by any conventional method, such as slip casting, injection molding, transfer molding, vacuum forming, etc.

Vorzugsweise sollte das Füllstoffmaterial vorgeformt sein, so daß es zumindest eine Oberflächenbegrenzung aufweist, und es sollte während der Verarbeitung und der Bildung des keramischen Körpers genügend Formzusammmenhalt und Grünfestigkeit sowie Formtreue bewahren. Das Füllstoffbett oder die Vorform sollten jedoch genügend durchlässig sein, um das wachsende polykristalline Material der Matrix aufnehmen zu können. Zum Beispiel weist eine für diese Erfindung nützliche Vorform aus Siliziumkarbid oder Siliziumnitrid eine Porosität zwischen ungefähr 5 und ungefähr 90 Volumenprozent auf, und, noch besser, zwischen ungefähr 25 und 75 Volumenprozent.Preferably, the filler material should be preformed to have at least one surface boundary and should retain sufficient shape integrity and green strength and shape fidelity during processing and formation of the ceramic body. However, the filler bed or preform should be sufficiently permeable to accommodate the growing polycrystalline material of the matrix. For example, a silicon carbide or silicon nitride preform useful in this invention has a porosity of between about 5 and about 90 volume percent, and more preferably between about 25 and 75 volume percent.

Bei der Durchführung des Prozesses wird der beschichtete Füllstoff, der hartgebrannt und/oder vorgeformt sein kann, an eine oder mehrere Oberfläche(n) oder einen Teil einer Oberfläche des Aluminiums angrenzend angeordnet. Das Füllstoffmaterial befindet sich vorzugsweise in flächigem Kontakt mit einer Oberfläche des Grundmetalls; aber wenn es gewünscht wird, kann es im schmelzflüssigen Metall auch teilweise eingetaucht, aber nicht völlig untergetaucht, sein, da ein vollständiges Eintauchen den für eine richtige Entwicklung der polykristallinen Matrix erforderlichen Zutritt des Dampfphasenoxidationsmittels in das Füllstoffmaterial abschneiden oder blockieren würde. Die Bildung des Oxidationsreaktionsprodukts erfolgt in einer Richtung auf das Füllstoffmaterial zu und in dieses hinein.In carrying out the process, the coated filler, which may be fired and/or preformed, is placed adjacent to one or more surfaces or a portion of a surface of the aluminum. The filler material is preferably in surface contact with a surface of the base metal; but if desired, it may be partially immersed in the molten metal, but not completely submerged, since complete immersion would cut off or block access of the vapor phase oxidant to the filler material necessary for proper development of the polycrystalline matrix. Formation of the oxidation reaction product occurs in a direction toward and into the filler material.

Der Aufbau, der aus dem Füllstoff und dem Aluminium als Grundmetall besteht, wird in einen Schmelzofen gebracht, der mit einem geeigneten Dampfphasenoxidationsmittel beschickt ist, und der Aufbau wird auf einen Temperaturbereich oder innerhalb eines Temperaturbereichs über dem Schmelzpunkt des Grundmetalls, jedoch unter dem Schmelzpunkt des Oxidationsreaktionsprodukts, erhitzt. Der Bereich der Prozeßtemperatur liegt für ein Aluminiumgrundmetall bei Verwendung von Luft als Dampfphasenoxidationsmittel generell bei ungefähr 700-1450ºC, oder besser bei ungefähr 800-1350ºC. Innerhalb dieses einsetzbaren Temperaturintervalls oder bevorzugten Temperaturbereichs bildet sich ein Körper oder Pool aus schmelzflüssigem Metall, und bei Kontakt mit dem Oxidationsmittel reagiert das schmelzflüssige Metall unter Bildung einer Schicht aus Oxidationsreaktionsprodukt. Bei fortgesetztem Kontakt mit der oxidierenden Umgebung wird das verbleibende schmelzflüssige Metall, im richtigen Temperaturbereich, fortschreitend durch und in das Oxidationsreaktionsprodukt und in Richtung des Oxidationsmittels gezogen. Beim Kontakt mit dem Oxidationsmittel reagiert das schmelzflüssige Metall unter Bildung von zusätzlichem Oxidationsreaktionsprodukt. Zumindest ein Teil des Oxidationsreaktionsprodukts wird in Kontakt mit und zwischen dem schmelzflüssigem Grundmetall und dem Oxidationsmittel gehalten, wodurch ein fortgesetzter Transport des schmelzflüssigen Metalls durch das gebildete Oxidationsreaktionsprodukt in Richtung des Oxidationsmittels hervorgerufen wird, so daß das polykristalline Oxidationsreaktionsprodukt zumindest einen Teil des Füllstoffmaterials infiltriert. Der Überzug aus der Siliziumquelle, der auf dem Füllstoffmaterial durch Vorbeschichten und, wenn gewünscht, Hartbrennen gebildet wurde, fördert das Wachstum des polykristallinen Oxidationsreaktionsprodukts dadurch, daß er eine fortwährende Quelle für das Silizium-Dotierungsmaterial im gesamten Volumen des Füllstoffs liefert.The assembly consisting of the filler and the aluminum base metal is placed in a furnace charged with a suitable vapor phase oxidant and the assembly is heated to a temperature range or within a temperature range above the melting point of the base metal but below the melting point of the oxidation reaction product. The process temperature range for an aluminum base metal using air as the vapor phase oxidant is generally about 700-1450°C, or more preferably about 800-1350°C. Within this operable temperature interval or preferred temperature range, a body or pool of molten metal forms and upon contact with the oxidant, the molten metal reacts to form a layer of oxidation reaction product. With continued contact with the oxidizing environment, the remaining molten metal, within the proper temperature range, is progressively drawn through and into the oxidation reaction product and toward the oxidant. Upon contact with the oxidant, the molten metal to form additional oxidation reaction product. At least a portion of the oxidation reaction product is maintained in contact with and between the molten parent metal and the oxidant, thereby causing continued transport of the molten metal by the formed oxidation reaction product toward the oxidant such that the polycrystalline oxidation reaction product infiltrates at least a portion of the filler material. The silicon source coating formed on the filler material by precoating and, if desired, firing promotes the growth of the polycrystalline oxidation reaction product by providing a continuous source of the silicon dopant material throughout the volume of the filler.

Der Prozeß wird fortgesetzt, bis das Oxidationsreaktionsprodukt zumindest einen Teil des Betts aus Füllstoffmaterial infiltriert hat. Wenn eine Vorform verwendet wird, dann wird der Prozeß fortgesetzt, bis das Oxidationsreaktionsprodukt die Bestandteile der Vorform bis an eine festgelegte Oberflächenbegrenzung infiltriert und eingebettet hat, und vorzugsweise nicht darüber hinaus, was ein "überschüssiges Wachstum" des polykristallinen Matrixmaterials bedeuten würde.The process is continued until the oxidation reaction product has infiltrated at least a portion of the bed of filler material. If a preform is used, then the process is continued until the oxidation reaction product has infiltrated and embedded the constituents of the preform up to a specified surface boundary, and preferably not beyond which would constitute "overgrowth" of the polycrystalline matrix material.

Es versteht sich, daß das resultierende polykristalline Matrixmaterial Porosität aufweisen kann, die einen teilweisen oder nahezu vollständigen Ersatz der Metallbestandteile darstellen kann, aber die Volumenprozente der Leerräume hängen wesentlich von solchen Bedingungen wie der Temperatur, der Zeit, dem Typ des Grundmetalls und den Konzentrationen der Dotierungsmittel ab. Typischerweise sind in diesen polykristallinen keramischen Strukturen die Kristallite des Oxidationsreaktionsprodukts in mehr als einer Dimension miteinander verbunden, vorzugsweise in drei Dimensionen, und die Bestandteile aus Metall oder Poren können zumindest teilweise zusammenhängend sein. Das resultierende keramische Verbundprodukt weist die Abmessungen und die geometrische Konfiguration der ursprünglichen Vorform, wenn eine solche verwendet wurde, auf, und eine besonders gute Übereinstimmung wird durch die Verwendung eines Sperrschichtelements erzielt.It will be understood that the resulting polycrystalline matrix material may have porosity which may represent a partial or nearly complete replacement of the metal constituents, but the volume percent of voids will depend significantly on such conditions as temperature, time, parent metal type and dopant concentrations. Typically in these polycrystalline ceramic structures the oxidation reaction product crystallites are interconnected in more than one dimension, preferably three dimensions, and the metal or pore constituents may be at least partially interconnected. The resulting ceramic composite product has the dimensions and geometric configuration of the original preform, if one was used, and a particularly good match is achieved by the use of a barrier element.

Das Dampfphasenoxidationsmittel, das beim Prozeß der Oxidationsreaktion eingesetzt wird, liegt unter den Prozeßbedingungen normalerweise gasförmig oder verdampft vor, wodurch eine oxidierende Atmosphäre geschaffen wird, wird z.B. Umgebungsluft. Wenn jedoch ein hartgebrannter oder vorbeschichteter Füllstoff verwendet wird, dann braucht das Oxidationsmittel kein sauerstoffhaltiges Gas sein. Zu typischen dampfförmigen (gasförmigen) Oxidationsmitteln, deren Verwendung davon abhängen kann, ob der Füllstoff hartgebrannt oder vorbeschichtet wurde, gehören weiterhin z.B. Stickstoff oder ein stickstoffhaltiges Gas und Mischungen, wie z.B. Luft, H&sub2;/H&sub2;O und CO/CO&sub2;, wobei die letzteren beiden (d.h. H&sub2;/H&sub2;O und CO/CO&sub2;) für die Reduzierung der Sauerstoffaktivität der Umgebung gegenüber gewünschten oxidierbaren Bestandteilen der Vorform nützlich sind. Sauerstoff oder sauerstoffhaltige Gasmischungen (einschließlich Luft) sind geeignete Dampfphasenoxidationsmittel, wobei Luft aus offensichtlichen wirtschaftlichen Gründen gewöhnlich stärker bevorzugt wird. Wenn für ein Dampfphasenoxidationsmittel angegeben wird, daß es ein spezielles Gas oder einen speziellen Dampf enthält oder aufweist, dann bedeutet das ein Oxidationsmittel, in dem das angegebene Gas oder der angegebene Dampf der alleinige, vorherrschende oder wenigstens ein wichtiger Oxidierer des Grundmetalls unter den Bedingungen ist, die in der eingesetzten oxidierenden Umgebung herrschen. Zum Beispiel ist, obwohl der Hauptbestandteil von Luft Stickstoff ist, der Sauerstoffgehalt der Luft der einzige Oxidierer des Grundmetall unter den Bedingungen, die in der eingesetzten oxidierenden Umgebung herrschen. Luft fällt demnach unter die Definition eines Oxidationsmittels vom Typ eines "sauerstoffhaltigen Gases", aber nicht unter die Definition eines Oxidationsmittels vom Typ eines "stickstoffhaltigen Gases". Ein Beispiel für ein Oxidationsmittel vom Typ eines "stickstoffhaltigen Gases", wie es hier und in den Ansprüchen verwendet wird, ist "Formiergas", das typischerweise ungefähr 96 Volumenprozent Stickstoff und ungefähr 4 Volumenprozent Wasserstoff enthält.The vapor phase oxidant used in the oxidation reaction process is normally in gaseous or vaporized form under the process conditions, creating an oxidizing atmosphere, e.g. ambient air. However, if a fired or precoated filler is used, then the oxidant need not be an oxygen-containing gas. Typical vapor (gaseous) oxidants, the use of which may depend on whether the filler has been fired or precoated, further include, e.g., nitrogen or a nitrogen-containing gas and mixtures such as air, H₂/H₂O and CO/CO₂, the latter two (i.e., H₂/H₂O and CO/CO₂) being useful for reducing the oxygen activity of the environment toward desired oxidizable constituents of the preform. Oxygen or oxygen-containing gas mixtures (including air) are suitable vapor phase oxidants, with air usually being more preferred for obvious economic reasons. When a vapor phase oxidizer is specified to be a specific gas or vapor, then it means an oxidizer in which the specified gas or vapor is the sole, predominant, or at least a major oxidizer of the parent metal under the conditions prevailing in the oxidizing environment employed. For example, although the major constituent of air is nitrogen, the oxygen content of the air is the sole oxidizer of the parent metal under the conditions prevailing in the oxidizing environment employed. Air therefore falls within the definition of an "oxygen-containing gas" type oxidizer, but not within the definition of a "nitrogen-containing gas" type oxidizer. An example of a "nitrogen-containing gas" type oxidizer as used herein and in the claims is "forming gas," which typically contains about 96 volume percent nitrogen and about 4 volume percent hydrogen.

Es kann ein Oxidationsmittel, daß bei den Prozeßbedingungen flüssig oder fest ist, zusammen mit dem Dampfphasenoxidationsmittel verwendet werden. Derartige zusätzliche Oxidationsmittel können besonders nützlich für die bevorzugte Beschleunigung der Oxidation des Grundmetalls innerhalb des Füllstoffmaterials statt außerhalb seiner Oberflächen sein. Das heißt, die Verwendung derartiger zusätzlicher Dotierungsmittel kann innerhalb des Füllstoffmaterials eine Umgebung schaffen, die für die Oxidationskinetik vorteilhafter als die Umgebung außerhalb des Füllstoffbetts oder der Vorform ist. Im Hinblick auf das Füllstoffmaterial aus Siliziumkarbid, das als Vorform verwendet wird, ist diese verbesserte Umgebung für die Förderung die Entwicklung der Matrix innerhalb der Vorform bis zur Begrenzung und zur Minimierung überschüssigen Wachstums von Vorteil.An oxidizer that is liquid or solid at the process conditions may be used along with the vapor phase oxidizer. Such additional oxidizers may be particularly useful for preferentially accelerating the oxidation of the parent metal within the filler material rather than outside its surfaces. That is, the use of such additional dopants may create an environment within the filler material that is more favorable to oxidation kinetics than the environment outside the filler bed or preform. With respect to the silicon carbide filler material used as a preform, this improved environment is beneficial for promoting the development of the matrix within the preform to the limit and minimizing excess growth.

Wenn ein festes Oxidationsmittel zusätzlich zum Dampfphasenoxidationsmittel eingesetzt wird, dann kann es im gesamten Volumen des Füllstoffmaterials oder nur in einem Teil des Füllstoffmaterials, der an das Grundmetall angrenzt, verteilt werden, z.B. in Form von mit dem Füllstoffmaterial vermischten Teilchen. Es kann jedes geeignete feste Oxidationsmittel angewandt werden, in Abhängigkeit von seiner Kompatibilität mit dem Dampfphasenoxidationsmittel. Zu derartigen festen Oxidationsmitteln können geeignete Elemente gehören, wie z.B. Bor, oder geeignete reduzierbare Verbindungen, wie bestimmte Borate, Boratgläser, Silikate und Silikatgläser von geringerer thermodynamischer Stabilität als das Oxidationsreaktionsprodukt des Grundmetalls.If a solid oxidizer is used in addition to the vapor phase oxidizer, it may be distributed throughout the volume of the filler material or only in a portion of the filler material adjacent to the base metal, e.g. in the form of particles mixed with the filler material. Any suitable solid oxidizer may be used, depending on its compatibility with the vapor phase oxidizer. Such solid oxidizers may include suitable elements, such as boron, or suitable reducible compounds, such as certain borates, borate glasses, silicates and silicate glasses of lower thermodynamic stability than the oxidation reaction product of the base metal.

Wenn ein flüssiges Oxidationsmittel zusätzlich zum Dampfphasenoxidafionsmittel eingesetzt wird, kann das flüssige Oxidationsmittel im gesamten Volumen des Füllstoffbetts oder einem Teil, der an das schmelzflüssige Metall angrenzt, verteilt werden, vorausgesetzt, ein derartiges flüssiges Oxidationsmittel verhindert nicht den Zutritt des Dampfphasenoxidationsmittels zum schmelzflüssigen Grundmetall. Ein Verweis auf ein flüssiges Oxidationsmittel bedeutet eines, das unter den Bedingungen der Oxidationsreaktion flüssig ist, und so kann ein flüssiges Oxidationsmittel einen festen Vorläufer besitzen, wie z.B. ein Salz, das unter den Bedingungen der Oxidationsreaktion geschmolzen oder flüssig ist. Alternativ kann das flüssige Oxidationsmittel ein flüssiger Vorläufer sein, z.B. eine Lösung eines Materials, das bei den Prozeßbedingungen unterWhen a liquid oxidizer is used in addition to the vapor phase oxidizer, the liquid oxidizer may be distributed throughout the volume of the filler bed or a portion adjacent to the molten metal, provided that such liquid oxidizer does not prevent access of the vapor phase oxidizer to the molten parent metal. Reference to a liquid oxidizer means one that is liquid under the conditions of the oxidation reaction, and so a liquid oxidizer may have a solid precursor, such as a salt that is molten or liquid under the conditions of the oxidation reaction. Alternatively, the liquid oxidizer may be a liquid precursor, such as a solution of a material that is molten under the process conditions.

Bildung einer geeigneten oxidierenden Spezies geschmolzen oder zersetzt wird. Zu den Beispielen für flüssige Oxidationsmittel, wie sie hier definiert wurden, gehören niedrig schmelzende Gläser.melted or decomposed to form a suitable oxidizing species. Examples of liquid oxidizing agents as defined here include low melting point glasses.

Wenn eine geformte Vorform verwendet wird, dann sollte die Vorform genügend porös oder durchlässig sein, um es dem Dampfphasenoxidationsmittel zu gestatten, die Vorform zu durchdringen und mit dem schmelzflüssigen Grundmetall in Kontakt zu treten. Die Vorform sollte auch genügend durchlässig sein, um das Wachstum des Oxidationsreaktionsprodukts innerhalb ihrer Begrenzungen aufnehmen zu können, ohne dabei ihre Konfiguration oder äußere Gestalt zu stören, durcheinanderzubringen oder sonstwie zu verändern. In dem Falle, daß die Vorform ein festes Oxidationsmittel und/oder ein flüssiges Oxidationsmittel enthält, das das Dampfphasenoxidationsmittel begleiten kann, dann sollte die Vorform genügend porös oder durchlässig sein, um das Wachstum des Oxidationsreaktionsprodukts, das aus dem festen und/oder flüssigen Oxidationsmittel resultiert, zuzulassen und aufzunehmen.If a shaped preform is used, then the preform should be sufficiently porous or permeable to allow the vapor phase oxidant to penetrate the preform and contact the molten parent metal. The preform should also be sufficiently permeable to accommodate the growth of the oxidation reaction product within its confines without disturbing, disrupting or otherwise altering its configuration or external shape. In the event that the preform contains a solid oxidant and/or a liquid oxidant that may accompany the vapor phase oxidant, then the preform should be sufficiently porous or permeable to allow and accommodate the growth of the oxidation reaction product resulting from the solid and/or liquid oxidant.

Wenn ein oder mehrere Dotierungsmittel zusätzlich zur Siliziumquelle verwendet wird bzw. werden, (1) können als legierende Bestandteile des Aluminium-Grundmetalls zur Verfügung stehen, (2) können auf wenigstens einen Teil der Oberfläche des Grundmetalls aufgetragen werden oder (3) können auf das gesamte Füllstoffmaterial oder auf einen Teil davon aufgetragen oder darin eingearbeitet werden, oder es kann eine beliebige Kombination von zwei oder mehr der Techniken (1), (2) oder (3) angewandt werden. Zum Beispiel kann ein in das Grundmetall einlegiertes Dotierungsmittel allein oder in Kombination mit einem zweiten äußerlich aufgetragenen Dotierungsmittel zusammen mit dem Überzug aus einer siliziumhaltigen Verbindung verwendet werden. Im Falle der Technik (3), bei der ein oder mehrere zusätzliche(s) Dotierungsmittel auf das Füllstoffmaterial aufgetragen wird bzw. werden, kann das Auftragen auf jede beliebige geeignete Weise erfolgen, wie in den Patentanmeldungen desselben Anmelders erläutert wird. Die Funktion oder Funktionen eines Dotierungsmaterials kann bzw. können von verschiedenen Faktoren abhängen und nicht nur vom Dotierungsmaterial selbst. Zu derartigen Faktoren gehören z.B. die jeweilige Kombination von Dotierungsmitteln, wenn zwei oder mehr Dotierungsmittel verwendet werden, die Verwendung eines äußerlich aufgetragenen Dotierungsmittels in Kombination mit einem in das Grundmetall einlegierten Dotierungsmittel, die Konzentration des Dotierungsmittels, die oxidierende Umgebung und die Prozeßbedingungen.When one or more dopants are used in addition to the silicon source, they (1) may be available as alloying constituents of the aluminum parent metal, (2) may be applied to at least a portion of the surface of the parent metal, or (3) may be applied to or incorporated into all or a portion of the filler material, or any combination of two or more of techniques (1), (2), or (3) may be used. For example, a dopant alloyed into the parent metal may be used alone or in combination with a second externally applied dopant together with the silicon-containing compound coating. In the case of technique (3), in which one or more additional dopants are applied to the filler material, the application may be done in any suitable manner, as explained in the patent applications of the same applicant. The function or functions of a dopant material may depend on various factors and not only on the dopant material itself. Such factors include, for example, the particular combination of dopants when two or more dopants are used, the use of an externally applied dopant in combination with a dopant alloyed into the base metal, the concentration of the dopant, the oxidizing environment and the process conditions.

Zu den Dotierungsmitteln, die in Kombination mit einer Siliziumquelle als Dotierungsmittel für ein Aluminium-Grundmetall nützlich sind, besonders mit Luft als Oxidationsmittel, gehören Magnesium und Zink, die in Kombination mit anderen Dotierungsmitteln, wie unten beschrieben wird, verwendet werden können. Diese Metalle, oder eine geeignete Quelle der Metalle, können jedes in das Grundmetall auf Aluminiumbasis in Konzentrationen zwischen ungefähr 0,1-10 Gewichtsprozent, bezogen auf das Gesamtgewicht des resultierenden dotierten Metalls, einlegiert werden. Bei Bedarf kann das Siliziummetall mit dem Grundmetall legiert werden, um die als Überzug auf dem Füllstoff vorliegende Siliziumquelle zu ergänzen. In derartigen Beispielen liegt eine bevorzugte Konzentration des Magnesiums im Bereich von ungefähr 0,1 bis ungefähr 3 Gewichtsprozent, des Siliziums im Bereich von ungefähr 1 bis ungefähr 10 Gewichtsprozent, und des Zinks, wenn es mit Magnesium verwendet wird, im Bereich von ungefähr 1 bis ungefähr 6 Gewichtsprozent. Diese Dotierungsmaterialien oder eine geeignete Quelle davon (z.B. MgO oder ZnO) können auch äußerlich des Grundmetalls verwendet werden. So kann eine keramische Struktur aus Aluminiumoxid aus dem Aluminium-Grundmetall unter Verwendung von Luft als Oxidationsmittel hergestellt werden, indem MgO als ein Dotierungsmittel in einer Menge von mehr als ungefähr 0,0008 g pro Gramm des zu oxidierenden Grundmetalls oder mehr als 0,003 g pro Quadratzentimeter des Grundmetalls, auf das das MgO aufgetragen wird, verwendet wird.Dopants useful in combination with a silicon source as a dopant for an aluminum base metal, particularly with air as the oxidant, include magnesium and zinc, which may be used in combination with other dopants as described below. These metals, or a suitable source of the metals, may each be alloyed into the aluminum-based base metal in concentrations between about 0.1-10 weight percent based on the total weight of the resulting doped metal. If desired, the silicon metal may be alloyed with the base metal to supplement the silicon source present as a coating on the filler. In such examples, a preferred concentration of the magnesium is in the range of about 0.1 to about 3 weight percent, the silicon is in the range of about 1 to about 10 weight percent, and of zinc, when used with magnesium, in the range of about 1 to about 6 weight percent. These dopant materials or a suitable source thereof (e.g., MgO or ZnO) may also be used externally of the base metal. Thus, an alumina ceramic structure can be made from the aluminum base metal using air as an oxidant by using MgO as a dopant in an amount greater than about 0.0008 g per gram of base metal to be oxidized or greater than 0.003 g per square centimeter of base metal to which the MgO is applied.

Zu weiteren Beispielen für Dotierungsmaterialien, die bei Aluminium-Grundmetallen wirksam sind, die mit einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre reagieren, gehören Natrium, Germanium, Zinn, Blei, Lithium, Kalzium, Bor, Phosphor und Yttrium, die einzeln verwendet werden können oder in Kombination mit einem oder mit mehreren anderen Dotierungsmittel(n), in Abhängigkeit vom Oxidationsmittel und den Prozeßbedingungen. Seltenerdelemente, wie z.B. Cer, Lanthan, Praseodym, Neodym und Samarium, sind ebenfalls nützliche Dotierungsmittel, und in diesem Zusammenhang wieder besonders, wenn sie in Kombination mit anderen Dotierungsmitteln verwendet werden. Alle diese Dotierungsmaterialien sind, wie in den Patentanmeldungen desselben Anmelders erklärt wird, zusätzlich zum Überzug aus einer Siliziumquelle bei der Förderung des Wachstums des polykristallinen Oxidationsreaktionsprodukts für Grundmetallsysteme auf Aluminiumbasis wirksam.Other examples of dopant materials effective with aluminum base metals that react with an oxygen-containing atmosphere include sodium, germanium, tin, lead, lithium, calcium, boron, phosphorus, and yttrium, which may be used individually or in combination with one or more other dopants, depending on the oxidant and process conditions. Rare earth elements such as cerium, lanthanum, praseodymium, neodymium, and samarium are also useful dopants, and again especially when used in combination with other dopants. All of these dopants, as explained in the patent applications of the same applicant, in addition to the coating from a silicon source, are effective in promoting the growth of the polycrystalline oxidation reaction product for aluminum-based base metal systems.

Der keramische Verbundkörper, der bei der Anwendung der vorliegenden Erfindung erhalten wird, ist gewöhnlich ein zusammenhängendes Produkt, in dem zwischen ungefähr 5 und ungefähr 98 Volumenprozent des Gesamtvolumens des keramischen Verbundkörpers aus Füllstoff bestehen, der in eine polykristalline keramische Matrix eingebettet ist. Die polykristalline keramische Matrix besteht gewöhnlich, wenn Luft oder Sauerstoff das Oxidationsmittel ist, zu ungefähr 60 bis ungefähr 99 Volumenprozent (des Volumens der polykristallinen Matrix) aus in sich verbundenem α-Aluminiumoxid und zu ungefähr 1 bis 40 Gewichtsprozent (gleiche Basis) aus metallischen Bestandteilen, wie z. B. nichtoxidierten Bestandteilen des Grundmetalls oder reduziertem Metall aus dem Dotierungsmiftel oder dem Oxidationsmittel.The ceramic composite obtained using the present invention is typically a coherent product in which between about 5 and about 98 volume percent of the total volume of the ceramic composite consists of filler embedded in a polycrystalline ceramic matrix. The polycrystalline ceramic matrix typically consists, when air or oxygen is the oxidizing agent, of about 60 to about 99 volume percent (of the volume of the polycrystalline matrix) of coherent alpha-alumina and about 1 to 40 weight percent (same basis) of metallic constituents such as unoxidized constituents of the parent metal or reduced metal from the dopant or oxidizing agent.

Wie in der EP-A-245193 (nicht vorveröffentlicht) beschrieben wurde, kann ein Sperrschichtelement zusammen mit dem Füllstoffmaterial verwendet werden, um das Wachstum oder die Entwicklung des Oxidationsreaktionsprodukts über die Sperre hinaus zu hemmen. Ein geeignetes Sperrschichtelement kann jede(s) beliebige Material, Verbindung, Element, Zusammensetzung oder dergleichen sein, welche(s), unter den Prozeßbedingungen dieser Erfindung, eine gewisse Integrität bewahrt, nicht flüchtig ist und vorzugsweise für das Dampfphasenoxidationsmittel durchlässig ist, während es gleichzeitig in der Lage ist, das fortgesetzte Wachstum des Oxidationsreaktionsprodukts lokal zu hemmen, zu vergiften, zu stoppen, zu beeinflussen, zu verhindern oder dergleichen. Kalziumsulfat (Gips), Kalziumsilikat und Portland-Zement und Mischungen davon, die besonders nützlich mit Aluminium als Grundmetall und einem sauerstoffhaltigen Gas als Oxidationsmittel sind, werden typischerweise als ein Brei oder eine Paste auf die Oberfläche des Füllstoffmaterials aufgetragen. Diese Sperrschichtelemente können auch ein geeignetes verbrennbares oder flüchtiges Material enthalten, das beim Erhitzen verschwindet, oder ein Material, das beim Erhitzen zerfällt, damit die Porosität und Durchlässigkeit des Sperrschichtelements erhöht wird. Weiterhin kann das Sperrschichtelement ein geeignetes hitzebeständiges teilchenförmiges Material enthalten, damit ein mögliches Schrumpfen oder Springen vermindert wird, das sonst während des Prozesses erfolgen kann. Ein derartiges teilchenförmiges Material, das im wesentlichen den gleichen Ausdehnungskoeffizienten wie das Füllstoffbett hat, ist besonders erwünscht. Wenn z.B. die Vorform Aluminiumoxid aufweist und der resultierende keramische Körper Aluminiumoxid aufweist, dann kann das Sperrschichtelement mit Aluminiumoxidteilchen vermischt werden, die am besten eine Teilchengröße von ungefähr 840-12 um (20-1000 Mesh) haben.As described in EP-A-245193 (not prepublished), a barrier element may be used in conjunction with the filler material to inhibit the growth or development of the oxidation reaction product beyond the barrier. A suitable barrier element may be any material, compound, element, composition or the like which, under the process conditions of this invention, maintains some integrity, is non-volatile and preferably is permeable to the vapor phase oxidant, while at the same time being capable of locally inhibiting, poisoning, stopping, affecting, preventing or the like the continued growth of the oxidation reaction product. Calcium sulfate (gypsum), calcium silicate and Portland cement and mixtures thereof, which are particularly useful with aluminum as the parent metal and an oxygen-containing gas as the oxidant, are typically applied as a slurry or paste to the surface of the filler material. These barrier elements may also contain a suitable combustible or volatile material which disappears on heating, or a material which decomposes on heating, to increase the porosity and permeability of the barrier element. Furthermore, the barrier element may contain a suitable heat-resistant particulate material to reduce any shrinkage or cracking which may otherwise occur during the process. Such particulate material having substantially the same coefficient of expansion as the filler bed is particularly desirable. For example, if the preform comprises alumina and the resulting ceramic body comprises alumina, then the barrier element may be mixed with alumina particles which most preferably have a particle size of about 840-12 µm (20-1000 mesh).

Die folgenden, nicht einschränkenden Beispiele veranschaulichen die Durchführung bestimmter Aspekte der Erfindung in der Praxis.The following non-limiting examples illustrate the practice of certain aspects of the invention.

Beispiel 1example 1

Der vorliegenden Erfindung entsprechend wurde eine keramische Struktur hergestellt, die aus einem Oxidationsreaktionsprodukt aus Aluminiumoxid bestand, das Whisker aus β-SiC einbettete, die von Nikkei Techno-Research Company Ltd. geliefert wurden, und die zunächst entweder mit einem im Handel erhältlichen kolloidalen Siliziumoxid (Ludox HS-30 von Du Pont Company) oder einer Lösung aus Natriumsilikat (40-42º Baume) als zusätzlicher Siliziumquelle beschichtet wurden.In accordance with the present invention, a ceramic structure was prepared consisting of an oxidation reaction product of alumina embedding whiskers of β-SiC supplied by Nikkei Techno-Research Company Ltd. and first coated with either a commercially available colloidal silica (Ludox HS-30 from Du Pont Company) or a solution of sodium silicate (40-42° Baume) as an additional silicon source.

Es wurden drei Vorformen von 5,08 cm (2 in) Durchmesser und 9,53 mm (3/8 in) Dicke hergestellt, indem drei getrennte Ansätze aus Whiskern aus β-SiC mit einem flüssigen Medium gemischt wurden, der resultierende Brei in eine Gußform gegossen und dann in einem Vakuumexsiccator entgast und getrocknet wurde. Die flüssigen Medien, die mit den Whiskern aus β-SiC vermischt wurden, bestanden aus destilliertem Wasser als Kontrolle, kolloidalem Siliziumoxid und einer Natriumsilikatlösung. Die Vorformen wurden auf ein Bett aus E1 Alundum von 216 um (90 Grit) Teilchengröße (von Norton Company), das in einem feuerfesten Schiffchen enthalten war, gegeben. Blöcke aus Aluminiumlegierung (Nr. 712.2) mit dem gleichen Durchmesser wie die Vorformen waren auf einer Seite mit einer dünnen Schicht aus Sand beschichtet, und die beschichtete Seite jedes Blocks wurde in Kontakt mit der oberen Oberfläche einer Vorform gebracht. Dieser Aufbau wurde in einen Schmelzofen gegeben und in 5 Stunden auf 900ºC erhitzt. Diese Temperatur wurde 36 Stunden aufrecht erhalten, und der Aufbau wurde in 5 Stunden auf Umgebungstemperatur abgekühlt. In der Vorform, die lediglich die Whisker aus β-SiC enthielt (die Kontrolle unter Verwendung von destilliertem Wasser), war die Infiltration durch das Oxidationsreaktionsprodukt aus Aluminiumoxid vernachlässigbar gering. Die Whisker aus β-SiC, die mit kolloidalem Siliziumoxid beschichtet waren, waren über die gesamte Dicke der Vorform infiltriert. Die Infiltration der Whisker aus β-SiC mit der Natriumsilikatlösung erfolgte bis ungefähr zur Mitte der Vorform.Three preforms, 5.08 cm (2 in) diameter and 9.53 mm (3/8 in) thick, were prepared by mixing three separate batches of β-SiC whiskers with a liquid medium, pouring the resulting slurry into a mold, and then degassing and drying it in a vacuum desiccator. The liquid media mixed with the β-SiC whiskers consisted of distilled water as a control, colloidal silicon oxide, and a sodium silicate solution. The preforms were placed on a bed of 216 µm (90 grit) particle size E1 Alundum (from Norton Company) contained in a refractory boat. Aluminum alloy blocks (No. 712.2) of the same diameter as the preforms were coated on one side with a thin layer of sand, and the coated side of each block was placed in contact with the top surface of a preform. This assembly was placed in a furnace and heated to 900°C in 5 hours. This temperature was maintained for 36 hours, and the assembly was cooled to ambient temperature in 5 hours. In the preform containing only the β-SiC whiskers (the control using distilled water), infiltration by the alumina oxidation reaction product was negligible. The β-SiC whiskers coated with colloidal silica were infiltrated throughout the thickness of the preform. Infiltration of the β-SiC whiskers with the sodium silicate solution occurred to approximately the middle of the preform.

Beispiel 2Example 2

Der vorliegenden Erfindung entsprechend wurde eine keramische Verbundstruktur hergestellt, die aus einem Oxidationsreaktionsprodukt aus Aluminiumoxid bestand, das Teilchen aus einem Füllstoffmaterial aus Siliziumkarbid [39 Crystolon, 17 um (500 Grit) von Norton Co.] einbettete, die zunächst mit kolloidalem Siliziumoxid (Ludox HS-30 von Du Pont Company, 30%ige Lösung) als Siliziumquelle beschichtet wurden.In accordance with the present invention, a ceramic composite structure was prepared consisting of an oxidation reaction product of alumina embedding particles of a silicon carbide filler material [39 Crystolon, 17 µm (500 grit) from Norton Co.] which were first coated with colloidal silica (Ludox HS-30 from Du Pont Company, 30% solution) as a silicon source.

Das Beschichten der Teilchen aus Siliziumkarbid mit dem kolloidalen Siliziumoxid erfolgte durch Herstellung von zwei Vorformen von 5,08 x 5,08 x 1,27 cm (2 x 2 x 1/2 in) mittels Sedimentgießen einer Mischung aus Siliziumkarbidteilchen von 17 um (500 Grit) und kolloidalem Siliziumoxid in einem Verhältnis von 2 Teilen Pulver zu 1 Teil Flüssigkeit in eine Gußform aus Gummi. Nach dem Absetzen und Trocknen wurde eine der Vorformen zerkleinert und zu 100% durch Sieböffnungen von 0,14 mm (100 Mesh) gestrichen. Das zerkleinerte, mit kolloidalem Siliziumoxid beschichtete Siliziumkarbid wurde dann wieder unter Verwendung eines Bindemittels aus 2% acrylischem Latex (Elmer's Wood Glue, Bordon Co.) sedimentgegossen. Zum Vergleich wurde eine mit der obigen Vorform identische Vorform aus Siliziumkarbid, das nicht mit kolloidalem Siliziumoxid beschichtet war, lediglich unter Verwendung des Latex-Bindemittels hergestellt.Coating of the silicon carbide particles with the colloidal silica was accomplished by preparing two 5.08 x 5.08 x 1.27 cm (2 x 2 x 1/2 in) preforms by sediment casting a mixture of 17 µm (500 grit) silicon carbide particles and colloidal silica in a ratio of 2 parts powder to 1 part liquid into a rubber mold. After settling and drying, one of the preforms was crushed and 100% passed through 0.14 mm (100 mesh) screen openings. The crushed colloidal silica coated silicon carbide was then sediment cast again using a 2% acrylic latex binder (Elmer's Wood Glue, Bordon Co.). For comparison, a silicon carbide preform identical to the above preform, not coated with colloidal silica, was prepared using only the latex binder.

Drei Stangen aus der Aluminiumlegierung 712 (die eine nominale Zusammensetzung, in Gewichtsprozent, von 0,15% Si, 0,6% Mg und 6% Zn aufwies) wurden in ein feuerfestes Bett aus Wollastonitfasern (Nyad FP von Petty-Rowley Chemical Co.) gegeben, das in einem feuerfesten Gefäß enthalten war, so daß eine Oberfläche von 5,08 x 5,08 cm (2 x 2 in) jeder Stange der Atmosphäre ausgesetzt war und im wesentlichen bündig mit dem Bett abschloß. Jeweils eine der drei oben beschriebenen Vorformen wurde so auf die Oberseiten der Stangen aus Legierung gelegt, daß eine Oberfläche von 5,08 x 5,08 cm (2 x 2 in) jeder Vorform und Legierung im wesentlichen übereinander lagen. Es wurde eine Schicht aus Wollastonitfasern auf der Oberseite der Vorformen verteilt, um ein überschüssiges Wachstum der keramischen Matrix über die Begrenzungen der Vorform hinaus zu vermindern. Dieser Aufbau wurde in einen Schmelzofen gegeben und in 10 Stunden auf 1000ºC erhitzt. Der Schmelzofen wurde 80 Stunden bei 1000ºC gehalten und dann in 10 Stunden auf Umgebungstemperatur abgekühlt. Der Aufbau wurde aus dem Schmelzofen entfernt, und die resultierenden Strukturen aus keramischem Verbundmaterial wurden entnommen. Die resultierenden Verbundkörper wurden leicht sandgestrahlt, um nicht eingebettete Materialien der Vorform zu entfernen. Die Figuren 1(a), 1(b), 2(a) und 2(b) sind Fotos der resultierenden Verbundmaterialien, die unter Verwendung von Vorformen mit der Beschichtung aus kolloidalem Siliziumoxid gewonnen wurden (wobei in den Figuren 2(a) und 2(b) eine neu gegossene Vorform vorkommt), die das gute Wachstum veranschaulichen; und die Figuren 3(a) und 3(b) zeigen den resultierenden Verbundkörper, nachdem kein Siliziumoxid verwendet wurde. Wie aus den Figuren hervorgeht, wurden die aus den mit Siliziumoxid beschichteten Teilchen gebildeten Vorformen im wesentlichen bis an ihre Formgrenzen eingebettet, während die Vorform, die kein Siliziumoxid enthielt, erheblich weniger Infiltration durch die keramische Matrix aufwies.Three bars of aluminum alloy 712 (which had a nominal composition, in weight percent, of 0.15% Si, 0.6% Mg, and 6% Zn) were placed in a refractory bed of wollastonite fibers (Nyad FP from Petty-Rowley Chemical Co.) contained in a refractory vessel so that a 5.08 x 5.08 cm (2 x 2 in) surface area of each bar was exposed to the atmosphere and substantially flush with the bed. One of each of the three preforms described above was placed on the tops of the alloy bars so that a 5.08 x 5.08 cm (2 x 2 in) surface area of each preform and alloy were substantially superimposed. A layer of wollastonite fibers was spread on top of the preforms to reduce excess growth of the ceramic matrix beyond the confines of the preform. This assembly was placed in a furnace and heated to 1000ºC in 10 hours. The furnace was held at 1000ºC for 80 hours and then cooled to ambient temperature in 10 hours. The assembly was removed from the furnace and the resulting ceramic composite structures were removed. The resulting composites were lightly sandblasted to remove unembedded preform materials. Figures 1(a), 1(b), 2(a) and 2(b) are photographs of the resulting composites obtained using preforms with the colloidal silica coating (Figures 2(a) and 2(b) show a newly cast preform) illustrating good growth; and Figures 3(a) and 3(b) show the resulting composite after no silica was used. As can be seen from the figures, the preforms formed from the silica coated particles were embedded essentially to their mold boundaries, while the preform containing no silica showed significantly less infiltration through the ceramic matrix.

Beispiel 3Example 3

Entsprechend der vorliegenden Erfindung wurde eine keramische Verbundstruktur hergestellt, die aus einem Oxidationsprodukt aus Aluminiumoxid bestand, das Teilchen aus Bornitrid, die mit Silizium beschichtet waren, einbettete.According to the present invention, a ceramic composite structure was prepared consisting of an oxidation product of alumina embedding particles of boron nitride coated with silicon.

Eine Stange aus der Aluminiumlegierung 380.1 (von Belmont Metals, mit einer angegebenen nominalen Zusammensetzung in Gewichtsprozent von 8-8,5% Si, 2-3% Zn und 0,1% Mg als aktiven Dotierungsmitteln und 3,5% Cu sowie Fe, Mn und Ni, aber der Mg-Gehalt lag manchmal höher, wie im Bereich von 0,17-0,18%) wurde in ein Bett aus Bornitridteilchen [von ungefähr 297 um (50 Mesh) Größe] untergetaucht. Die Bornitridteilchen wurden mit Silizium beschichtet (was durch chemische Dampfabscheidung erreicht wurde), um die Bornitridteilchen vor dem Abbau zu schützen und um als eine Quelle für ein Siliziumdotierungsmittel, das die Siliziumquelle in der Legierung ergänzte, zu dienen. Dieses Bett war in einem feuerfesten Schiffchen enthalten. Dieser Aufbau wurde in einen Schmelzofen gegeben, der eine Öffnung aufwies, damit der Zutritt von Luft möglich war, und innerhalb von 5 Stunden auf 1100ºC erhitzt. Der Schmelzofen wurde 48 Stunden bei 1100ºC gehalten und dann auf Umgebungstemperatur abgekühlt. Der resultierende keramische Verbundkörper wurde entnommen. Die Figur 4 ist eine bei 50-facher Vergrößerung aufgenommene mikroskopische Aufnahme des Verbundkörpers, die die Matrix 2 aus Aluminiumoxid zeigt die die Bornitridteilchen 4 einbettet, die noch etwas Siliziumbeschichtung 6 tragen.A rod of aluminum alloy 380.1 (from Belmont Metals, with a reported nominal composition in weight percent of 8-8.5% Si, 2-3% Zn and 0.1% Mg as active dopants and 3.5% Cu plus Fe, Mn and Ni, but the Mg content was sometimes higher, such as in the range of 0.17-0.18%) was immersed in a bed of boron nitride particles [of approximately 297 µm (50 mesh) size]. The boron nitride particles were coated with silicon (achieved by chemical vapor deposition) to protect the boron nitride particles from degradation and to serve as a source of silicon dopant to supplement the silicon source in the alloy. This bed was contained in a refractory boat. This assembly was placed in a furnace, which had an opening to allow access of air, and heated to 1100ºC over a period of 5 hours. The furnace was maintained at 1100ºC for 48 hours and then cooled to ambient temperature. The resulting ceramic composite was removed. Figure 4 is a micrograph of the composite taken at 50x magnification, showing the matrix 2 of aluminum oxide embedding the boron nitride particles 4, which still carry some silicon coating 6.

Claims (13)

1. Verfahren zur Herstellung eines selbsttragenden keramischen Verbundmaterials, das aufweist (1) eine Keramikmatrix, die durch Oxidation eines Aluminium-Grundmetalls unter Bildung eines polykristallinen Materials erhalten wurde, das aufweist (a) ein Oxidationsreaktionsprodukt eines Grundmetalls mit wenigstens einem Oxidationsmittel, das ein Dampfphasenoxidationsmittel einschließt, sowie gegebenenfalls (b) einen oder mehrere metallische Bestandteile, sowie (2) einen Füllstoff, der von der genannten Matrix infiltriert ist; wobei das Verfahren umfaßt:1. A process for producing a self-supporting ceramic composite material comprising (1) a ceramic matrix obtained by oxidizing an aluminum base metal to form a polycrystalline material comprising (a) an oxidation reaction product of a base metal with at least one oxidizing agent including a vapor phase oxidizing agent and optionally (b) one or more metallic constituents, and (2) a filler infiltrated by said matrix; the process comprising: (A) Orientieren des genannten Grundmetalls und eines Füllstoffmaterials relativ zueinander so, daß die Bildung des Oxidationsreaktionsprodukts in eine Richtung auf den genannten Füllstoff zu und in diesen hinein erfolgt, wobei der genannte Füllstoff wenigstens ein die Oxidationsreaktion förderndes Dotierungsmittel für das Aluminium-Grundmetall liefert,(A) orienting said base metal and a filler material relative to each other such that formation of the oxidation reaction product occurs in a direction toward and into said filler, said filler providing at least one oxidation reaction promoting dopant for the aluminum base metal, (B) Erhitzen des genannten Aluminium-Grundmetalls auf eine Temperatur oberhalb seines Schmelzpunkts jedoch unterhalb des Schmelzpunkts des Oxidationsreaktionsprodukts, um einen Körper aus schmelzflüssigem Aluminium-Grundmetall zu bilden, und Umsetzen des schmelzflüssigen Aluminium-Grundmetalls mit dem Oxidationsmittel bei der genannten Temperatur, um das genannte Oxidationsreaktionsprodukt zu bilden, und bei der genannten Temperatur Halten wenigstens eines Teils des genannten Oxidationsreaktionsprodukts im Kontakt mit und zwischen dem genannten Körper aus schmelzflüssigem Metall und dem genannten Oxidationsmittel, um fortschreitend schmelzflüssiges Metall durch das Oxidationsreaktionsprodukt auf das Oxidationsmittel zu und in das Füllstoffmaterial hinein zu saugen, so daß sich fortgesetzt frisches Oxidationsreaktions-produkt innerhalb des genannten Füllstoffs an der Grenzfläche zwischen dem Oxidationsmittel und vorher gebildetem Oxidationsreaktionsprodukt bildet; und(B) heating said aluminum parent metal to a temperature above its melting point but below the melting point of the oxidation reaction product to form a body of molten aluminum parent metal, and reacting the molten aluminum parent metal with the oxidizing agent at said temperature to form said oxidation reaction product, and at said temperature maintaining at least a portion of said oxidation reaction product in contact with and between said body of molten metal and said oxidizing agent to progressively draw molten metal through the oxidation reaction product toward the oxidizing agent and into the filler material so that fresh oxidation reaction product continues to form within said filler at the interface between the oxidizing agent and previously formed oxidation reaction product; and (C) Fortsetzen der genannten Umsetzung für eine Zeit, die ausreicht, wenigstens einen Teil des genannten Füllstoffs mit dem genannten polykristallinen Material zu infiltrieren,(C) continuing said reaction for a time sufficient to infiltrate at least a portion of said filler with said polycrystalline material, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Teil des genannten Füllstoffmaterials (i) eine Beschichtung aus Silicium, das durch chemische Dampfabscheidung aufgebracht ist, oder (ii) einen Überzug aus einem von einer Kieselsäure abgeleiteten Vorläufer, der auf den Füllstoff durch Beschichten des Füllstoffs mit einer Suspension oder Lösung des genannten von einer Kieselsäure abgeleiteten Vorläufers und deren Trocknung aufgebracht wurde, wobei der genannte von einer Kieselsäure abgeleitete Vorläufer in der Lage ist, eine Siliciumquelle mit Dotierungsmitteleigenschaften zu bilden, oder (iii) einen Überzug aus einer Siliciumquelle, die aus dem genannten Überzug des von einer Kieselsäure abgeleiteten Vorläufers durch dessen Oxidation oder Dissoziation gebildet wurde, wobei der genannte von einer Kieselsäure abgeleitete Vorläufer und die genannte Siliciumquelle eine Zusammensetzung aufweisen, die sich von der Grundzusammensetzung des Füllstoffs unterscheidet, aufweist.characterized in that at least a portion of said filler material comprises (i) a coating of silicon applied by chemical vapor deposition, or (ii) a coating of a silica-derived precursor applied to the filler by coating the filler with a suspension or solution of said silica-derived precursor and drying it, said silica-derived precursor being capable of forming a silicon source having dopant properties, or (iii) a coating of a silicon source formed from said coating of the silica-derived precursor by its oxidation or dissociation, said silica-derived precursor and said silicon source having a composition different from the basic composition of the filler. 2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die durch chemische Dampfabscheidung aufgebrachte Siliciumbeschichtung als Überzug auf einem Bornitrid-Füllstoffmaterial vorliegt.2. The method of claim 1, wherein the chemical vapor deposition silicon coating is present as a coating on a boron nitride filler material. 3. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Überzug aus einem von einer Kieselsäure abgeleiteten Vorläufer aus einer Gruppe ausgewählt ist, die aus kolloidaler Kieselsäure, einem Silicat, Tetraethylorthosilicat und Ethylsilicatglas besteht.3. The method of claim 1, wherein the coating is made of a silica-derived precursor selected from a group consisting of colloidal silica, a silicate, tetraethyl orthosilicate and ethyl silicate glass. 4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 3, bei dem der Füllstoff aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Siliciumcarbid, Siliciumnitrid, Zirconiumoxid und teilchenförmigem Aluminiumoxid besteht.4. The method of claim 1 or 3, wherein the filler is selected from the group consisting of silicon carbide, silicon nitride, zirconium oxide and particulate alumina. 5. Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 1, 3 und 4, bei dem die genannte Suspension oder Lösung des von einer Kieselsäure abgeleiteten Vorläufers außerdem ein Bindemittel enthält, und bei dem ein Füllstoffbett oder eine geformte Füllstoff-Vorform gebildet wird, die getrocknet wird.5. A process according to any one of claims 1, 3 and 4, in which said suspension or solution of the silica-derived precursor further contains a binder, and in which a filler bed or a shaped filler preform is formed which is dried. 6. Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 1 und 3 bis 5, bei dem die Beschichtung aus dem von einer Kieselsäure abgeleiteten Vorläufer eine von einer Kieselsäure abgeleitete Verbindung ist, die von dem genannten schmelzflüssigen Aluminium-Grundmetall in den Stufen (B) und (C) reduzierbar ist.6. A process according to any one of claims 1 and 3 to 5, wherein the coating of silica-derived precursor is a silica-derived compound reducible from said molten aluminum parent metal in steps (B) and (C). 7. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die genannte Oxidation oder Dissoziation zur Bildung des genannten Überzugs der genannten Siliciumquelle vor der Orientierungsstufe in (A) durchgeführt wird.7. The process of claim 1, wherein said oxidation or dissociation to form said coating of said silicon source is carried out prior to the orientation step in (A). 8. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die genannten Oxidation oder Dissoziation zur Herstellung des genannten Überzugs aus der genannten Siliciumquelle in situ während der Bildung des genannten Oxidationsreaktionsprodukts durchgeführt wird.8. The method of claim 1, wherein said oxidation or dissociation to produce said coating from said silicon source is carried out in situ during the formation of said oxidation reaction product. 9. Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 7 oder 8, bei dem die genannte Oxidation unter Bildung des genannten Überzugs dadurch durchgeführt wird, daß man den genannten Überzug aus dem von einer Kieselsäure abgeleiteten Vorläufer in Gegenwart einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre erhitzt, um einen Überzug aus Siliciumoxid auszubilden.9. A process according to any one of claims 7 or 8, wherein said oxidation to form said coating is carried out by heating said coating of silica-derived precursor in the presence of an oxygen-containing atmosphere to form a coating of silicon oxide. 10. Verfahren nach irgendeinem der vorausgehenden Ansprüche, bei dem in Verbindung mit dem genannten Aluminium-Grundmetall wenigstens ein zusätzliches Dotierungsmaterial verwendet wird.10. A method according to any one of the preceding claims, wherein at least one additional dopant material is used in conjunction with said aluminum base metal. 11. Verfahren nach irgendeinem der vorausgehenden Ansprüche, das die Formung des genannten Füllstoffmaterials zu wenigstens einer Vorform mit wenigstens einer definierten Oberflächengrenze umfaßt.11. A method according to any one of the preceding claims, which comprises forming said filler material into at least one preform having at least one defined surface boundary. 12. Verfahren nach Anspruch 11, das zusätzlich die Überlagerung der Vorform mit einem Sperrschichtelement zur Inhibierung der Bildung des genannten Oxidationsreaktionsprodukts über dieses hinaus umfaßt.12. The method of claim 11, additionally comprising overlaying the preform with a barrier element for inhibiting the formation of said oxidation reaction product thereabove. 13. Verfahren nach irgendeinem der vorausgehenden Ansprüche, bei dem das genannte Oxidationsmittel zusätzlich wenigstens eines von einem festen Oxidationsmittel oder einem flüssigen Oxidationsmittel oder beide umfaßt, die in wenigstens einen Teil des genannten Füllstoffmaterials eingearbeitet sind, wobei das genannte Verfahren außerdem die Umsetzung des genannten schmelzflüssigen Aluminium-Grundmetalls mit dem genannten zusätzlichen Oxidationsmittel umfaßt und das genannte polykristalline Material außerdem das Oxidationsreaktionsprodukt des genannten Aluminium-Grundmetalls mit dem genannten zusätzlichen Oxidationsmittel umfaßt.13. A process according to any preceding claim, wherein said oxidizing agent additionally comprises at least one of a solid oxidizing agent or a liquid oxidizing agent or both incorporated into at least a portion of said filler material, said process further comprising reacting said molten aluminum parent metal with said additional oxidizing agent, and said polycrystalline material further comprising the oxidation reaction product of said aluminum parent metal with said additional oxidizing agent.
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